砾石土防渗料压实特性

周怡，彭振斌，何忠明，尹泉

(1.中南大学地球科学与信息物理学院，湖南长沙，410083；2.湖南城市学院土木工程学院，湖南益阳，413000；3.长沙理工大学交通运输工程学院，湖南长沙，410114)

砾石土具有压实性好、工后沉降小等优点，应用于高土石坝心墙防渗。由于这种土料颗粒级配范围宽广，且多具有不均匀、不稳定、不连续的特点，其工程性质的研究[1-5]一直是土石坝工程研究者的重点。随着国内外土石坝发展迅速，人们对砾石土作为防渗料进行了大量研究[6-12]，如：陈志波等[6]对不同掺砾量的砾石土进行了击实试验，研究了砾石土在不同粗粒质量分数、不同结构下的压实特性，并对击实作用下颗粒破碎规律进行了分析；饶锡保等[7]结合水布垭工程实际研究了粗粒质量分数对砾石土压实性、渗透性、压缩性、应力应变关系参数的影响，认为砾石土压实性和渗透性除与粗粒质量分数有关外，还与细料特性有关；史新等[8]通过试验探究了土体的细粒质量分数、细粒物理特性、击实功以及颗粒级配等多种因素对渗透系数的影响规律，并提出了以界限含水率和细粒料质量分数为控制指标的宽级配土防渗料的控制标准；高鹏等[9]通过试验研究认为掺砾比为40%的心墙防渗料的变形和强度较高，临界水力梯度最高，掺砾比为30%和40%的心墙防渗料渗透系数更接近规范要求。由于砾石土具有级配范围广、均匀性差的特殊性，其室内试验与现场压实试验之间的对应关系还不明确，仅仅依靠室内试验结果难以反映实际填筑坝体的工程特性。现行的“土工试验规程”“碾压式土石坝施工规范”等[13-14]都没有明确其质量控制标准。为此，人们对尺寸效应进行了大量研究，如翁厚洋等[15-17]对粗粒料缩尺效应影响因素进行了系列研究，认为缩尺后的试验级配料工程特性与原型级配料工程特性往往存在很大差异；保华富等[18]认为对于相同P5(即粒径大于5 mm 的颗粒)质量分数和相同击实功能，增大试验仪器尺寸可提高砾石土的最大干密度，特别是当P5 质量分数较高时更明显，反映了土料级配缩尺效应的影响。虽然人们积累了很多相关土石坝施工经验，但由于土的种类等千差万别，研究结果缺乏可比性，因此，在当前实际工程状况下，一些重大的水电站大坝[9,11-12,19]填筑工程依然需要通过现场碾压试验[20-23]来论证根据室内试验成果确定的土料控制标准在当前施工水平和工艺条件下的可靠性。本文作者围绕土料的压实性以及渗透性问题，在室内试验基础上选出具有代表性的砾石土防料进行现场碾压试验，在碾压过程中进行含水率试验、灌砂法密度试验、双环垂直渗透试验和取样压缩试验，探究不同碾压方式下不同级配砾石土的压实度、渗透系数和压缩模量等压实特性，选出砾石土最优级配及其对应的碾压参数，以便为其他类似土石坝工程设计提供借鉴。

1 试验材料

试验采用由室内试验结果筛选出具有代表性的3组不同级配土料进行现场碾压试验。土样颗粒级配组成见表1。表1中，土样中颗粒粒径均小于60 mm，其中粒径小于5 mm 的颗粒质量分数为45%～55%，依据SL 234—2001“碾压式土石坝设计规范”，土样命名为砾石土。

利用重型击实仪通过对不同含水率的土体进行标准击实，测定各种状态下土的含水率与干密度的关系，见图1。由图1得出3种级配土料(砾石土①、砾石土②和砾石土③)的最大干密度和最优含水率。

表1 土料颗粒级配组成(质量分数)Table 1 Grading compositions of soil particles %

图1 不同级配砾石土的干密度(ρd)与水质量分数ω的关系Fig.1 Relationship between dry density and water mass fraction with different gradation gravelly soils

2 碾压实验方案

采用18 t 振动凸块碾进退错距法和25 kJ 三边轮冲击碾回转法进行碾压，最后采用Z18光轮机平碾1遍，试验选取碾压参数，如表2所示。

表2 碾压试验主要参数Table 2 Main parameters of rolling test

结合砾石土防渗料特点和试验目的，分A 区和B 区进行碾压实验，分别采用2 种碾压方式对3种不同级配砾石土进行试验。碾压试验共设试验条块数6个，在每个试验条块分层压实土体进行现场密度试验、含水率试验、渗透试验、压缩试验，分别在每一次碾压后对各层土进行上述试验，每种试验各进行3次，在允许误差范围内取各指标的算术平均值，若指标算术平均值超过允许值则补做1组。试验单元共432组，现场碾压试验分区如图2所示。

图2 现场碾压试验分区Fig.2 Field rolling test area

3 碾压试验结果与分析

对于砾石土心墙而言，重点考察的指标为压实度、渗透系数和压缩模量，故选这3种指标进行试验研究。

3.1 压实度

砾石土的压实效果直接影响土石坝的变形和稳定，同时影响土料的防渗性能，而现场干密度是控制压实度是否满足设计要求的最直接指标。本次采用灌砂法现场进行干密度试验，对3种不同级配砾石土的含水率ωf和密实度进行检测，计算土料干密度ρdf，再由干密度ρdf与现场取样进行室内击实试验所得最大干密度ρdmax的比值求出压实度，不同碾压条件下压实度见表3～5。

从表3～5可知：整体上看，各级配砾石土在凸碾和冲碾试验中压实度均在98%以上，满足碾压土石坝对压实度的要求；砾石土①凸碾含水率为6.7%～7.7%，冲碾含水率为6.5%～7.5%；砾石土②凸碾含水率为7.1%～8.0%，冲碾含水率为6.7%～7.8%；砾石土③凸碾含水率为7.4%～8.3%，冲碾含水率为7.2%～8.3%。3 种砾石土含水率均在最优含水率ωop±1%范围内，说明现场含水率控制得当。

表3 砾石土①压实度检测结果Table 3 Compaction test results of gravel soil ①

表4 砾石土②压实度检测结果Table 4 Compaction test results of gravel soil ②

表5 砾石土③压实度检测结果Table 5 Compaction test results of gravel soil ③

从表3～5还可看出：各砾石土分层碾压测出的压实度非常接近，上下层之间差别甚小，其原因可能是土料颗粒级配组成良好，土体中细颗粒将大颗粒中的孔隙填满，土体颗粒之间的距离接近于双电层的厚度[24]。由于双电层的斥力作用，难以进一步压实，因此，土体孔隙结构、压实度趋于稳定。

3.2 渗透系数

作为防渗料，在保证压实度的同时，其渗透性也必须得到保证，防止管涌等情况发生，“碾压式土石坝设计规范”对砾石土防渗料渗透系数的要求小于1.0×10-5cm/s。采用双环法进行现场垂直渗透试验，加水后测量渗透速度，当渗透稳定后，在1 h 内测量渗入量5～6 次，计算平均渗透系数。3种不同级配砾石土在凸碾和冲碾振动压实后的渗透系数试验结果见图3和图4。

图3 凸碾渗透试验结果Fig.3 Penetration test results of convex roller

图4 冲碾渗透试验结果Fig.4 Penetration test results of impact roller

从图3可以看出：砾石土①的渗透系数为9.37×10-6～9.56×10-6cm/s，最上层渗透系数分别为9.37×10-6，9.56×10-6和9.37×10-6cm/s，第二层渗透系数为8.67×10-6和8.50×10-6cm/s，最下层渗透系数为8.40×10-6cm/s，下层土渗透系数比上层土的小，减小幅度达到10%以上，而相同土层检测的渗透系数相近，相对幅值不超过5%；第二层渗透系数与底层土的渗透系数几乎一致，相对幅值不超过1%。由此可见，第二层土为相对稳定层，故本实验中取第二层土的渗透系数算术平均值来表征该级配的渗透性能，从而得出砾石土①的渗透系数为8.58×10-6cm/s。类似地，可得砾石土②的渗透系数为6.61×10-6cm/s，砾石土③的渗透系数为4.45×10-6cm/s。从图4同理得出冲碾试验中砾石土①的渗透系数为7.72×10-6cm/s，砾石土②的渗透系数为5.60×10-6cm/s，砾石土③的渗透系数为3.30×10-6cm/s。由试验结果可知，渗透系数随砾石土粒度中小于5 mm 颗粒质量分数的增加而减小，砾石土细粒质量分数由45%增加到55%，凸碾试验渗透系数由8.58×10-6cm/s 减小至4.45×10-6cm/s，减小幅值为48.2%，冲碾试验渗透系数由7.72×10-6cm/s 减小至3.30×10-6cm/s，减小幅值为57.2%，但均未出现数量级变化。这是因为砾质土随颗粒质量分数变化呈现出悬浮-密实、密实-骨架和骨架-空隙3 种不同结构，不同颗粒结构表现出不同的压实特性。本试验所选细粒质量分数为45%～55%的砾石土结构为密实-骨架结构，孔隙比维持在较高值。细粒质量分数越高，孔隙的孔径会越小，渗流路径不如骨架孔隙结构通畅，而是变得迂回曲折，所以，当细粒质量分数增加、粗粒质量分数减小时，土体渗透系数有所增大，但不会呈数量级增大。

对比图3和图4还可发现：同一砾石土由于碾压方式不同，所得渗透系数出现一定差异，同一级配砾石土凸碾渗透系数整体上大于冲碾渗透系数。例如，砾石土①凸碾渗透系数为8.58×10-6cm/s，冲碾渗透系数为7.72×10-6cm/s，相对差为10%；砾石土②凸碾渗透系数为6.61×10-6cm/s，冲碾渗透系数为5.60×10-6cm/s，相对差为15%。究其原因是影响砾石土渗透系数的因素除了土料性质和土料结构之外，压实设备也有很大影响，主要包括压实设备的振动频率、激振力等。试验中采用的2 种设备中，冲碾速度为10～12 km/s，比凸碾速度2～3 km/s高4～5倍。速度越快，振动频率越高，作用能越大，颗粒压实更紧密，进而使得渗透系数更小。综合上述分析，本试验中对砾石土渗透系数而言，采用冲碾压实的砾石土③渗透系数最小。

3.3 压缩模量

采取现场取样进行快速固结压缩试验，由固结压缩试验得到的压缩性指标主要有压缩系数和压缩模量等。压缩系数是评价土体压缩性的主要参数，压缩模量则用于计算沉降，是评价防渗料力学性质的重要指标。本次试验检测结果如图5和图6所示。

在0.1～0.2 MPa 压强下，砾石土的压缩模量ES1-2一般都在50 MPa 以上，压缩性较低，这是由砾石土的颗粒组成决定的。由图5可看出：砾石土①，②和③压缩模量分别为77.98～82.64，72.56～77.58和63.37～67.06 MPa。由图6可看出：砾石土①，②和③压缩模量分别为80.32～85.12，76.01～79.93和69.71～74.43 MPa。从检测结果可知：在2种碾压方式下，压缩模量由大至小的砾石土依次为砾石土①、砾石土②和砾石土③，这与砾石土P5质量分数有一定的相关性；随砾石土P5质量分数增大，压缩模量增大，3 种砾石土颗粒级配中，砾石土①中P5 质量分数最高，压缩模量也相应最大。

图5 凸碾压缩试验结果Fig.5 Test results of convex rolling compression

图6 冲碾压缩试验结果Fig.6 Test results of impact rolling and compression

从图5和图6可见：同一级配砾石土、同样的铺土厚度分层碾压后所测得的压缩模量不同，以图4中砾石土②为例，上层土即1①，2①和3①压缩模量分别为76.01，77.06 和77.90 MPa，中间层土2 ②和3 ②压缩模量分别为79.19 MPa 和79.84 MPa，底层土3③压缩模量为79.93 MPa。由此可见，分层碾压砾石土压缩模量上层较小，中间层次之，底层较大；底层与中间层压缩模量相差很小，且各平行层之间压缩模量相差不大。出现这种结果的原因是当碾压冲击力足够大时，碾压有效应力使得上层粗颗粒受到挤压滑移往下挤，再挤密下层的细颗粒，从而出现在同一砾石土、同样铺土厚度下，下层土压缩模量比上层土压缩模量大的现象。而最下层土与第二层土的压缩模量极相近，是因为能量的传递通过土颗粒之间作功，在第二层土已经消耗殆尽，故底层土几乎无法受到能量传递的影响，也就出现了第二层土与底层土压缩模量几乎无变化的试验结果。故本实验取相对稳定的第二层土的压缩模量算术平均值来表征该土样的压缩性能，由此得出：在A和B试验区，砾石土①的压缩模量分别为81.84 MPa 和84.96 MPa，砾石土②的压缩模量分别为77.35 MPa和79.52 MPa，砾石土③的压缩模量分别为66.95 MPa和73.65 MPa。

由图5和图6还可看出：在2 种不同碾压方式下，冲碾比凸碾压缩模量普遍偏大。这是因为冲碾振动产生的作用能力比凸碾的大，冲击碾振动冲击力产生振动波使土颗粒重新排列呈更紧密的联锁状态。经综合对比，采用冲碾压实的砾石土①压缩模量最大。

4 结论

1)砾石土①、砾石土②和砾石土③压实度均大于98%，3种级配砾石土试验结果均满足设计要求，现场试验选用碾压参数合理。

2)粒度小于5 mm的砾石土质量分数越高，渗透系数越小。粒度低于5 mm的砾石土①，②和③质量分数分别为45%，50%和55%。在现场A区凸碾渗透试验中，砾石土①，②和③的渗透系数分别为8.58×10-6，6.61×10-6和4.45×10-6cm/s，渗透系数最大减小幅度达48.2%；在B 区冲碾试验中，砾石土①，②和③的渗透系数分别为7.72×10-6，5.60×10-6和3.30×10-6cm/s，渗透系数最大减小幅度达57.2%。B 区冲碾压实砾石土③渗透系数最小，为3.30×10-6cm/s。

3)砾石土中P5质量分数越高，压缩模量越大。本场试验中，P5 质量分数由大至小对应的砾石土依次为砾石土①、砾石土②和砾石土③，压缩模量由大至小对应的砾石土依次为砾石土①、砾石土②和砾石土③。整体上，A区凸碾渗透系数小于B 区冲碾渗透系数；B 区砾石土①压缩模量最大，为84.96 MPa。

4)综合对比凸碾和冲碾这2种碾压方式，兼顾渗透系数和压缩模量这2个参数，认为采用冲碾压实的砾石土②级配最佳。